生物学技术揭示延长电动飞机电池寿命的关键

下一步，24M公司将把这些电池制成全尺寸航空电池，在And Battery Aero进行进一步测试。

经过单个电池测试，劳伦斯伯克利国家实验室开发的新型电解液可保持支持电动飞行所需的功率能量比，比传统电池提高4倍。下一步，24M公司将把这些原型制成电池，并将其送至And Battery Aero公司的试验台架上进行测试，让电池完成实际飞行任务。

说到要弄清为什么电动飞机电池会随着时间的推移而失去动力，人们通常不会想到求助于生物学用来研究生物体各组成部分结构和功能的已有方法。然而，帮助科学家揭开人类基因组秘密的“全息技术”（omics），不久也将在实现无碳航空旅行方面发挥关键作用。

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室领导的一个研究小组在《焦耳》杂志上发表的一项新研究中，利用全息技术研究了电动飞机电池的阳极、阴极和电解液之间错综复杂的相互作用。其中最重要的发现之一是，在电池电解液中混入的某些盐类在阴极颗粒上形成了一层保护膜，使其具有更强的抗腐蚀能力，从而延长了电池的使用寿命。

研究小组成员包括来自加利福尼亚大学伯克利分校、密歇根大学以及行业合作伙伴ABA公司和24M公司的科学家，他们利用新的电解质溶液设计并测试了一种电动飞机电池。与传统电池相比，这种电池在维持电动飞机飞行所需的功率—能量比的循环次数上提高4倍。项目的下一步将是团队制造足够大的电池（总容量约为100千瓦时），用于预计于2025年开展的试飞。

该研究的通讯作者、伯克利实验室分子铸造厂（Molecular Foundry）的资深科学家布雷特·赫尔姆斯（Brett Helms）说：“包括航空在内的重型运输部门在电气化方面一直未得到充分探索。我们的工作推动了电池技术的发展，实现了更深层次的去碳化”。

电动汽车电池优先考虑长距离的持续能量，而电动飞机电池则不同，它面对的是起飞和着陆所需的高功率，以及长时间飞行所需的高能量密度的独特挑战。

伯克利实验室分子铸造厂博士后研究员、本研究的第一作者Youngmin Ko说“在电动汽车中，关注的是容量随时间的衰减。但对于飞机来说，功率衰减才是关键——即持续实现高功率起飞和着陆的能力。”

根据Ko的说法，传统的电池设计在这方面存在不足，这主要是由于对电解质、阳极和阴极之间的界面缺乏了解。Ko说，这就是全息技术方法发挥作用的地方。全息技术是从生物科学中借鉴的一种方法，用于从复杂系统中化学特征的变化里破译模式。

“生物学家利用全息技术来研究基因表达和DNA结构之间的复杂关系，”赫尔姆斯说，“因此，我们想看看能否使用类似的方法来检查电池组件的化学特征，并确定导致功率衰减的反应及其发生的位置。”

研究人员重点分析了含有镍、锰和钴的高电压、高密度层状氧化物的锂金属电池。以前的研究通常认为，功率衰减问题是电池阳极发生故障造成的，与此相反，研究小组观察到，功率衰减主要源于阴极一侧。随着时间的推移，这里的颗粒会出现裂纹和腐蚀，从而阻碍电荷移动，降低电池效率。此外，研究人员还发现，特定的电解质可以控制阴极界面的腐蚀速度。

“这是一个显而易见的结果，”Ko说，“我们发现，在电解液中混入盐类可以抑制典型活性物种的反应性，从而形成一层稳定的抗腐蚀涂层。”

开发出新的电解质后，研究人员在高容量电池中对其进行了测试。在实际的电动垂直起降任务中，它表现出了出色的功率保持能力。研究小组希望能在今年年底前生产出电池，用于预计在2025年由4家eVTOL合作伙伴制造的飞机原型机上进行的飞行测试。展望未来，赫尔姆斯和Ko

表示，该团队及其合作者计划在电池研究中扩大全息技术的应用，探索各种电解质成分的相互作用，以进一步了解和调整电池的性能，满足交通和电网领域当前和未来的使用情况。

这项工作得到了美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）和美国能源部科学办公室的支持。（逸文）